第六章 輸入輸出系統(tǒng)

1、輸入輸出（輸入輸出（I/O）系統(tǒng)）系統(tǒng)一、一、I/O系統(tǒng)基本概念系統(tǒng)基本概念二、外部設備二、外部設備 1輸入設備：鍵盤、鼠標輸入設備：鍵盤、鼠標 2輸出設備：顯示器、打印機輸出設備：顯示器、打印機 3外存儲器：硬盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器外存儲器：硬盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器三、三、I/O接口（接口（I/O控制器）控制器） 1I/O接口的功能和基本結構接口的功能和基本結構 2I/O端口及其編址端口及其編址四、四、I/O方式方式 1 程序查詢方式程序查詢方式 2 程序中斷方式程序中斷方式 3 DMA方式方式 4 通道方式通道方式學習要求:o掌握I/O系統(tǒng)基本結構；o了解外圍設備的特性，特

2、別是硬盤的結構和數(shù)據(jù)組織方式；o掌握I/O接口的結構、I/O接口和端口的關系，端口的兩種編址方式；o掌握三種I/O方式，即程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式（各自的特點、數(shù)據(jù)傳送方式、差別）。2009年選擇題年選擇題2題共題共4分，分，1題綜合題題綜合題8分，共分，共10分；分；2010年選擇題年選擇題1題共題共2分；分；2011年選擇題年選擇題2題共題共4分。分。一、一、I/O系統(tǒng)基本概念系統(tǒng)基本概念o1I/O系統(tǒng)的發(fā)展和組成o2I/O設備與主機的聯(lián)系方式o3I/O設備與主機信息傳送的控制方式1I/O系統(tǒng)的發(fā)展和組成 I/O系統(tǒng)系統(tǒng)：計算機主機與外界交換信息時所涉及到的硬件和軟件的總稱。

3、（1）I/O系統(tǒng)系統(tǒng)4個發(fā)展階段：個發(fā)展階段：早期階段：早期階段：I/O設備與主機交換信息必須通過CPU，I/O設備采用分散連接，CPU與I/O設備串行工作，采用程序查詢方式。接口模塊和接口模塊和DMA階段：階段：I/O設備與主機通過接口模塊相連，計算機系統(tǒng)采用總線結構，CPU和I/O設備并行工作，其工作方式有中斷方式和DMA方式。具有通道結構的階段：具有通道結構的階段：采用通道來管理I/O設備以及實現(xiàn)主存與I/O設備之間交換信息。I/O設備與主機交換信息時，CPU不參與管理，進一步提高了CPU的利用率。具有具有I/O處理機的階段：處理機的階段：I/O處理機基本獨立于主機工作，既可完成I/O通

4、道要完成的I/O控制，又可完成碼制轉換、格式處理、糾錯等操作。具有I/O處理機的I/O系統(tǒng)與CPU工作的并行性更高。 （2）I/O系統(tǒng)的組成：系統(tǒng)的組成：I/O軟件：軟件：包括驅動程序、用戶程序、管理程序、升級補丁等，通常采用I/O指令和通道指令實現(xiàn)CPU與I/O設備的信息交換。 I/O指令：指令：采用接口模塊方式時，應用機器指令系統(tǒng)中的I/O指令使 I/O設備與主機協(xié)調(diào)工作。 通道指令：通道指令：采用通道方式時，應用通道程序實現(xiàn)I/O設備與主機交換信 息。通道指令是專為具有通道的I/O系統(tǒng)專門設置的指令。I/O硬件：硬件：包括外部設備、設備控制器與接口、I/O總線等。2I/O設備與主機的聯(lián)系

5、方式（1 1）I/OI/O設備編址方式設備編址方式統(tǒng)一編址：統(tǒng)一編址：將I/O地址看成主存地址的一部分，如將主存中 專門一段地址作為I/O設備的地址。不統(tǒng)一編址：不統(tǒng)一編址：I/O地址和主存地址分開，所有對I/O設備的訪 問必須有專門的I/O指令。（2 2）設備尋址）設備尋址 使用I/O設備的設備碼（地址碼）字段直接指出該設備的設備 號，通過接口設備選擇電路中要交換信息的設備。（3 3）傳送方式）傳送方式并行傳送：并行傳送：在同一時刻有N位信息同時從CPU輸出至I/O設備，或由I/O設備輸入到CPU。串行傳送：串行傳送：在同一時刻只傳送一位信息，在不同時刻連續(xù)逐位傳送一串信息。（4 4）聯(lián)絡方

6、式）聯(lián)絡方式立即響應：立即響應：只要CPU的I/O指令一到，便立即響應，常用于速度較慢的I/O設備。異步工作采用應答信號聯(lián)絡：異步工作采用應答信號聯(lián)絡：I/O設備和CPU各自完成任務，當出現(xiàn)聯(lián)絡信號時，彼此才開始交換信息，而且采用應答方式。常用于速度與主機不匹配的I/O設備。同步工作采用同步時標聯(lián)絡：同步工作采用同步時標聯(lián)絡：采用統(tǒng)一時鐘控制I/O操作。常用于與CPU工作速度完全同步的I/O設備。（5 5）I/OI/O設備與主機的連接方式設備與主機的連接方式輻射式：輻射式：每臺I/O設備有一套控制線路和一組信號線，與主機相關，它們之間互不相連?？偩€式：總線式：通過一組總線將所有I/O設備與主機

7、連接。3I/O設備與主機信息傳送的控制方式程序查詢方式：程序查詢方式：由CPU通過程序不斷查詢I/O設備是否已經(jīng)做好準備，從而控制I/O設備與主機交換信息。程序中斷方式：程序中斷方式：只有I/O設備準備就緒并向CPU發(fā)出中斷請求后才給予響應。DMADMA方式：方式：主存和I/O設備之間有一條數(shù)據(jù)通路，當主存和I/O設備交換信息時，無需調(diào)用中斷服務程序。二、外部設備二、外部設備o1.外部設備的概念o2.輸入設備：鍵盤、鼠標o3.輸出設備：顯示器、打印機o4.外存儲器：磁盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器1.外部設備的概念o外部設備：外部設備：外圍設備，是計算機系統(tǒng)中直接或間接與計算機交換信息、改變信

8、息媒體或載體形式的裝置。o分類：分類：人-機交互設備：輸入和輸出設備機-機通信設備：調(diào)制解調(diào)器（數(shù)/模轉換）計算機信息的存儲設備：磁盤、光盤、磁帶。2.輸入設備：鍵盤、鼠標o鍵盤：鍵盤：當用戶按下一個鍵后，由硬件判斷哪個鍵被按并將其翻譯成ASCII碼。o鼠標：鼠標：當鼠標移動時，利用鼠標底部傳感器把運動的方向和距離檢測出來，從而控制光標做相應運動。3.輸出設備：顯示器、打印機o顯示器：顯示器：用一個電子束密集地對熒光屏高速逐行掃描，通過對電子束的扼制，控制熒光屏上各點的隱或現(xiàn)，在熒光屏上顯示字符或圖形。o分類：分類：CRT、LCD、等離子體等。o分辨率：分辨率：整個屏幕上顯示的光點數(shù)目，即像素

9、的多少。o刷新率：刷新率：每秒刷新的次數(shù)。o打印機：打印機：當打印機啟動后，將收到的信息送到RAM暫存起來，同時發(fā)出信號啟動各機電的驅動電路，使機械系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，字符發(fā)生器將內(nèi)碼轉換成打印機的點陣狀態(tài)，通過驅動電路送至打印機頭。o分類：分類：按打字原理：擊打式、非擊打式按工作原理：串行打印、行式打印4.外存儲器：磁盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器o磁盤存儲器記錄面：硬盤驅動器中有多個記錄面（120個），每個盤面有兩個記錄面，每個記錄面對應一個磁頭。磁道：在讀/寫時，磁頭固定不動，盤片高速旋轉，磁化區(qū)構成一個閉合圓環(huán)，稱為磁道。圓柱面：在一個盤組中，各記錄面上相同編號的磁道構成一個圓柱面。扇區(qū)

10、：將一條磁道劃分為若干個段，每個段稱為一個扇區(qū)，每個扇區(qū)存放一定信息塊（如512B)。硬盤容量：非格式化容量=最大位密度最內(nèi)圈磁道周長總磁道數(shù)格式化容量=每道扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量總磁道數(shù)記錄密度：盤片表面單位上記錄的二進制信息的個數(shù)。用道密度、位密度和面密度表示。平均存取時間平均存取時間Ta：尋道時間Ts、旋轉延遲時間Tr、傳輸時間Tt、控制器開銷Tc。Tr=1/(2r) r為轉速。Tt=b/(rN) r為轉速、b為每秒傳送的字節(jié)數(shù)，N為每磁道字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸率：數(shù)據(jù)傳輸率：磁盤在單位時間內(nèi)向主機傳送的字節(jié)數(shù)。設硬盤旋轉速度為r（轉/秒），每條磁道容量為N個字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率為Dr=rN。例：已知某

11、磁盤存儲器轉速為2400轉/分，每個盤面有200個磁道，平均查找時間為60ms，每個磁道存儲容量為96KB，求磁盤的存取時間與數(shù)據(jù)傳輸率。存取時間： Ta=Ts+Tr=60ms+12.5ms=72.5ms數(shù)據(jù)傳輸率：Dr=rN=4096=3840KB/So磁盤陣列RAID：“廉價冗余磁盤陣列”，將一組磁盤驅動器用某種邏輯方式聯(lián)系起來，作為邏輯上的一個磁盤驅動器使用。 RAID的優(yōu)點：成本低，功耗小，傳輸速率高提供容錯功能比起傳統(tǒng)的大直徑磁盤驅動器，在同樣的容量下，RAID價格要低許多。o光盤存儲器：采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸的記錄高密度信息的存儲裝置。 優(yōu)點：記錄密度高、存儲容量大、信息

12、保存時間長、工作穩(wěn)定 分類：CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM。三、三、I/O接口（接口（I/O控制器）控制器）p1I/O接口的功能和基本結構接口的功能和基本結構o2I/O端口及其編址端口及其編址1I/O接口的功能和基本結構接口的功能和基本結構oI/O接口的功能：實現(xiàn)主機和外設的通信聯(lián)絡控制；進行地址譯碼和設備選擇；實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖；數(shù)據(jù)格式的轉換；傳遞控制命令和狀態(tài)信息。oI/O接口的基本結構oI/O接口的類型：數(shù)據(jù)傳送方式：串行接口和并行接口功能選擇的靈活性：可編程和不可編程數(shù)據(jù)傳送的控制方式：程序型接口和DMA接口2I/O端口及其編址端口及其編址o獨立編址：獨立編址：I/O端

13、口地址和主存單元分別進行編址。用專門的I/O指令實現(xiàn)對獨立編址方式端口的訪問。其指令格式如下： 操作碼：操作碼：指出執(zhí)行什么操作（讀、寫、查詢外設狀態(tài)）或是I/O指 令還是其他類型指令。 REG：指出與操作有關的CPU寄存器。如I/O設備的狀態(tài)信息、讀入的數(shù)據(jù)。 控制命令碼：控制命令碼：指出對設備如何控制。 設備地址：設備地址：指出I/O設備的獨立編址所對應的地址。o統(tǒng)一編址：統(tǒng)一編址：把端口地址與主存單元地址統(tǒng)一編址，把I/O端口作為主存單元進行訪問，不設置專門的I/O指令。四、四、I/O方式方式o1 程序查詢方式程序查詢方式o2 程序中斷方式程序中斷方式o3 DMA方式方式1 程序查詢方式

14、程序查詢方式o1）基本思想：）基本思想：程序直接控制方式，核心思想是每時每刻不斷查詢I/O設備是否準備就緒。輸入輸出完全由CPU執(zhí)行程序來完成。o2）工作流程）工作流程o預置傳輸參數(shù)，包括主存緩沖區(qū)首地址和傳輸數(shù)據(jù)的個數(shù)。o向選中設備的I/O接口發(fā)出命令字，啟動設備，做好傳輸數(shù)據(jù)準備。o從I/O接口取回狀態(tài)字，并測試、判斷數(shù)據(jù)傳送是否可以進行。oCPU不斷查詢I/O設備標志，如果I/O設備沒有準備就緒，CPU就踏步進行等待，一直到I/O設備準備就緒，并發(fā)出“準備就緒”信號為止。o傳送數(shù)據(jù)。o修改傳送參數(shù)，主存緩沖區(qū)首地址加1，傳送個數(shù)減1。判斷傳送是否結束，如果傳送個數(shù)不為0，轉第個步驟繼續(xù)傳

15、送，直到傳送結束為止。核心部分o3）特點：）特點：簡單，CPU一段時間內(nèi)只能和一臺設備交換信息，且CPU與I/O設備只能串行工作，CPU大量的時間處于空閑等待狀態(tài)，無法發(fā)現(xiàn)和處理預先無法估計得錯誤和異常情況。2 程序中斷方式程序中斷方式o1）中斷概念：）中斷概念：計算機執(zhí)行現(xiàn)行程序的過程中，出現(xiàn)某些急需處理的異常情況或特殊請求，CPU暫時中止現(xiàn)行程序，而轉去對這些異常情況或特殊請求進行處理，在處理完畢后CPU又自動返回到現(xiàn)行程序的斷點處，繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)行程序。o2）基本思想：）基本思想：CPU在程序中安排好在某一時刻啟動某一臺外設，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行原來程序，一旦外設完成數(shù)據(jù)傳送的準備工作，便主動

16、向CPU發(fā)出中斷請求，在可以響應中斷的條件下，CPU暫時中止正在執(zhí)行的程序，轉去執(zhí)行中斷服務程序為外設服務，完成一次主機與外設之間的數(shù)據(jù)傳送，完成后返回原來的程序，從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。o3）響應中斷滿足的條件）響應中斷滿足的條件CPU收到中斷請求信號（INTR=1）CPU允許中斷（EINT=1）當前指令執(zhí)行結束o4）中斷處理過程）中斷處理過程由CPU發(fā)出啟動設備命令，將B觸發(fā)器置為“1”，D觸發(fā)器置為”0”；接口啟動輸入設備開始工作；輸入設備將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)緩沖寄存器；輸入設備向接口發(fā)出“設備工作結束”信號，將D置為“1”，B置為”0”，標志設備準備就緒；o當設備準備就緒（D=1），且本設備未被屏

17、蔽（MASK=0）時，在指令執(zhí)行階段的結束時刻，由CPU發(fā)出中斷查詢信號。o設備中斷請求觸發(fā)器INTR被置為”1”，標志設備向CPU提出中中斷請求斷請求。與此同時，INTR送至排隊器，進行中斷判優(yōu)中斷判優(yōu)。o若CPU允許中斷（EINT=1），設備又被排隊器選中，即進入中中斷響應斷響應階段，由中斷響應信號INTA將排隊器輸出送至編碼器形成向量地址。o向量地址送至PC，作為下一條指令的地址。o由PC中存放的無條件轉移指令轉移至該設備的服務程序入口地址，開始執(zhí)行中斷服務程序，進入中斷服務中斷服務階段。o執(zhí)行中斷服務程序中的中斷返回指令，執(zhí)行完后即中斷返回中斷返回至原程序的斷點處。o5）中斷服務程序流

18、程）中斷服務程序流程保護現(xiàn)場：保存程序斷點、通用寄存器、狀態(tài)寄存器的值。中斷服務：中斷服務程序的主體?；謴同F(xiàn)場：將保存的“現(xiàn)場”恢復中斷返回：執(zhí)行中斷返回指令，返回到原程序斷點處。o？）中斷優(yōu)先級與判優(yōu)方法？）中斷優(yōu)先級與判優(yōu)方法確定中斷優(yōu)先級原則：提出中斷請求后需立即處理，否則就會造成嚴重后果的中斷源規(guī)定最高優(yōu)先級；可以延遲響應或處理的中斷源規(guī)定較低的優(yōu)先級。如故障中斷優(yōu)先級最高，一般I/O中斷優(yōu)先級較低。中斷判優(yōu)方法：軟件判優(yōu)法和硬件判優(yōu)電路。軟件判優(yōu)法：程序判斷，判優(yōu)方法簡單，可以靈活修改中斷源的優(yōu)先級，但占用CPU的時間，且速度較慢。硬件判優(yōu)電路：采用硬件實現(xiàn)，可節(jié)省CPU的時間，速度

19、快，但成本較高，且無法改變中斷請求的優(yōu)先級。o？2 2）中斷向量形成）中斷向量形成中斷向量：中斷服務程序入口地址。中斷向量表：存放中斷向量的存儲區(qū)域。.JMP 200HJMP 200HJMP 200H.打印機服務程序.顯示器服務程序.12H13H14H中斷向量地址入口地址200H入口地址300Ho6）特點）特點宏觀上：克服了CPU“踏步”現(xiàn)象，CPU與I/O并行工作，提高了CPU的利用率。微觀上：CPU在處理中斷服務程序時仍需暫停原程序的正常運行，尤其主存與高速I/O設備或者輔存頻繁、成批交換信息時，需不斷打斷CPU執(zhí)行主程序而執(zhí)行中斷服務程序。3 DMA方式方式o1）基本思想：）基本思想：在

20、主存和DMA控制器之間設一條數(shù)據(jù)通路，當主存和I/O設備交換信息時，不通過CPU。CPU和I/O同時訪問主存時，采用三種方法是用主存：CPU停止訪問主存：適用于高速外設成批傳送數(shù)據(jù)。存儲器分時法：把原來的一個存取周期分成兩個時間段，一個時間段給CPU，一個時間段給DMA，CPU和DMA交替訪問主存。周期挪用法：或稱為周期竊取，前兩種方法的折衷。主存工作時間主存工作時間DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存t主存工作時間主存工作時間 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存tCPU停止停止訪問主存訪問主存主存工作時間主存工作時間CPU不

21、執(zhí)行程序不執(zhí)行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t周期挪用周期挪用存儲器存儲器分時法分時法o2）傳送過程）傳送過程DMA預處理：初始化工作。向DMA控制邏輯指明數(shù)據(jù)傳送方向、向設備地址寄存器存入設備號、向主存地址寄存器存入交換數(shù)據(jù)的主存地址起始地址、向字計數(shù)器存入交換數(shù)據(jù)的個數(shù)。數(shù)據(jù)傳送：以字節(jié)、字或者數(shù)據(jù)塊為單位，由DMA控制器通過循環(huán)的方式控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。DMA后處理：當長度計數(shù)器計為0時，DMA操作結束，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷請求，CPU停止原來程序的執(zhí)行，轉去執(zhí)行中斷服務程序做DMA結束

22、處理工作。預處理預處理：主存起始地址主存起始地址設備地址設備地址 傳送數(shù)據(jù)個數(shù)傳送數(shù)據(jù)個數(shù)啟動設備啟動設備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序同時完成一批數(shù)據(jù)傳送同時完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理后處理：中斷服務程序中斷服務程序做做 DMA 結束處理結束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU DMA 傳送過程示意傳送過程示意允許傳送？允許傳送？主存地址送總線主存地址送總線數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)送I/O設備（或主存設備（或主存 ）修改修改 主存地址主存地址修改修改 字計數(shù)器字計數(shù)器 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊傳送結束？傳送結束？向向CPU申請申請 程序中斷程序中斷DMA請求請求否否否否是是是是數(shù)據(jù)傳送

23、數(shù)據(jù)傳送o3）特點）特點從數(shù)據(jù)傳送看程序中斷靠軟件傳送，DMA靠硬件傳送數(shù)據(jù)；從CPU響應時間看，程序中斷方式在一條指令執(zhí)行結束時響應，而DMA方式可以在指令周期內(nèi)任一存期周期結束時響應；程序中斷方式有處理異常事件的能力，而DMA主要用于大批量數(shù)據(jù)傳送，沒有處理異常的能力；程序中斷方式需要中斷現(xiàn)行程序，需保護現(xiàn)場，而DMA方式不中斷現(xiàn)行程序，不需要保護現(xiàn)場，與CPU并行工作；DMA優(yōu)先級比程序中斷方式高。本章小結oI/O概念、編址及結構o三種I/O方式習題1.以下敘述中，正確的是（）A.總線一定要和I/O接口相連B.I/O接口一定要和總線相連C.通道可以代替接口D.都不對2.在微型機系統(tǒng)中，I

24、/O設備通過（）與主板的系統(tǒng)總線相連A.DMA控制器B.設備控制器C.中斷控制器D.I/O端口3.以下關于I/O指令的敘述中，錯誤的是（ ）。A.I/O指令是CPU指令系統(tǒng)的一部分B.I/O指令是機器指令的一部分C.I/O指令反映CPU與I/O設備交換信息的特點D.I/O指令的格式與其他指令的格式相同。習題4.計算機的外圍設備是指（C）。A.輸入輸出設備 B.外存儲器 C.輸入輸出設備和外存儲器D.電源5.CD-RW光盤是（C）型光盤。A.只讀 B.一次 C.再重寫 D.都不是6.打印機的分類方法很多，若從打字原理上分，可分為（A）。A.擊打式和非擊打式 B.串行式和并行式C.點陣式和活字式

25、D.英文和中文打印機7.一個硬盤的轉速是7200轉/分，每個磁道有160個扇區(qū)，每個扇區(qū)有512字節(jié)，那么理想情況下，其數(shù)據(jù)傳輸率為（C）A.7200X160KB/s B.7200KB/s C. 9600KB/s D.19200KB/s 習題8.I/O接口中數(shù)據(jù)緩沖器的作用是（A）。A.用來暫存I/O設備和CPU之間傳送的數(shù)據(jù)B.用來暫存I/O設備的狀態(tài)C.用來暫存CPU發(fā)出的命令 D.以上全部 9.I/O的編址方式采用不統(tǒng)一編址方式時，進行輸入輸出操作的指令是（C）。A.控制指令 B.訪存指令 C.輸入輸出指令 D.都不對10.在采用（A）對設備進行編址的情況下，不需要專門的I/O指令。A.

26、 統(tǒng)一編址方法 B.獨立編址方法 C.兩者都是 D.兩者都不是習題11.（2010年考研題）假定一臺計算機的顯示存儲器用DRAM芯片實現(xiàn)，若要求顯示分辨率位16001200，顏色深度為24位，幀頻為85Hz，顯示總帶寬的50%用來刷新屏幕，則需要的顯存總帶寬至少約為（）。A.245MbpsB.979Mbps C.1958Mbps D.7834Mbps12.以下敘述正確的是（）。A.只有I/O指令才可以訪問I/O設備 B.統(tǒng)一編址方式下，不能訪問I/O設備 C.訪問存儲器的指令，一定不能訪問I/O設備 D.具有專門I/O指令的計算機中，I/O設備才可以單獨編址13 .(2011年考研題）某計算機主頻為50MHz，采用定時查詢方式控制設備A